锆合金元件盒的制备方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种锆合金元件盒的制备方法。

背景技术：

锆合金元件盒，简称“锆盒”或“元件盒”，是低温燃料堆和沸水堆中的主要部件。锆盒可以保护燃料棒束，并构成燃料组件冷却剂通道；并且在堆芯布置上，每4盒燃料组件间的宽水隙组成1根控制棒的通道。为了保证燃料组件顺利地插入锆盒以及控制棒在反应堆全寿期内的各种情况下能够自如地上下运动，确保反应堆的安全性，锆盒的表面质量、尺寸精度都需要严格的要求。

国际上锆盒的制备方法主要有两种，如图5左所示，一种方法包括板料-圆管坯-焊接-探伤-冷轧-滚拔-热处理几个步骤，如图5右所示，另一种方法包括板料-冷弯-焊接-焊缝处理-热处理几个步骤。针对清华大学低温堆燃料组件锆盒的制备，我国科研人员也进行了大量的研制工作。专利ZL 89107625.5中利用芯头采用滚模拉伸工艺将预压成方形的板材卷焊的圆管拉伸成方管，原理同图5左；专利CN101905405 B中，采用了冷弯-焊接的成型方法，原理同图5右。

锆盒的制造过程中，最为关键的步骤是最后的热处理，即矫形热处理，而该矫形热处理工序又是上述两种方法的共有工序，所以控制矫形热处理工序对成品锆盒的精度至关重要。目前的矫形热处理方法制造出的锆盒的精度，特别是锆盒的形位公差以及4个圆角尺寸不能很好的满足设计要求，亟需提出新的热处理工艺。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种锆盒的制备方法，解决目前锆盒精度不高，形位公差以及4个圆角尺寸不能很好满足设计要求的问题。

一种锆合金元件盒的制备方法，包括以下步骤：提供锆方管，所述锆方管内具有待矫形位置，所述待矫形位置具有初始尺寸以及目标尺寸；根据所述初始尺寸及所述目标尺寸，确定总形变量；确定矫形热处理次数，所述矫形热处理次数至少2次；根据所述总形变量及所述矫形热处理次数，确定所述锆方管每次矫形热处理的单次形变量；根据所述初始尺寸及所述单次形变量，为每次矫形热处理提供一种尺寸的模具，所述模具材料的热膨胀系数大于相同条件下所述锆方管材料的热膨胀系数；以及按照所述模具的尺寸由小到大的顺序，在每次矫形热处理时使用对应尺寸的所述模具，将所述模具装入所述锆方管内部，进行所述至少2次矫形热处理。

在其中一个实施例中，所述矫形热处理次数为2次至5次。

在其中一个实施例中，所述在每次矫形热处理时使用的所述模具的尺寸等于所述锆方管内表面在本次矫形热处理之前的尺寸。

在其中一个实施例中，由小到大相邻两个所述模具的尺寸差值等于所述单次形变量。

在其中一个实施例中，所述矫形热处理的温度相同或依次降低。

在其中一个实施例中，所述单次形变量相等、依次增大或依次减小。

在其中一个实施例中，所述模具为圆角中空四方管，或者所述模具包括缺角的四方芯棒及与所述缺角的四方芯棒配套的位于缺角的四个圆柱。

在其中一个实施例中，所述提供锆方管的步骤进一步包括：锆板下料；卷焊成圆管；焊缝处理；预压或轧制成方形。

在其中一个实施例中，所述提供锆方管的步骤进一步包括：锆板下料；取两张锆板分别折弯成方槽；将两个方槽对接，焊接接缝。

在其中一个实施例中，所述模具材料为奥氏体不锈钢。

在其中一个实施例中，所述模具与所述锆方管等长。

本发明中锆盒的制备方法，使用至少两个模具进行至少2次的矫形热处理，将一个比较大的总形变量拆分成相对较小的多个单次形变量的总和。矫形热处理时，形变过程变得相对缓慢，受力更均匀稳定，使锆盒的尺寸公差和形位公差具有更高精度，制造出来的锆盒尺寸稳定性好，能够更好的满足设计要求，确保核工业生产的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的锆盒的制备方法流程图；

图2为本发明实施例的锆盒的结构示意图；

图3为本发明实施例中利用模具缺角的四方芯棒及与缺角的四方芯棒配套的位于缺角的四个圆柱的矫形热处理示意图；

图4为本发明实施例中利用模具圆角中空四方管的矫形热处理示意图；

图5为锆盒的两种制造方法的流程示意图。

其中，

锆方管-10；

缺角的四方芯棒-22；

圆柱-24；

圆角中空四方管-30；

锆盒-40。

具体实施方式

下面参考附图并结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

请参阅图1至图3，本发明提供一种锆合金元件盒(以下简称“锆盒”)的制备方法，包括：

S10，提供锆方管10，锆方管10内具有待矫形位置，待矫形位置具有初始尺寸以及目标尺寸；

S20，根据初始尺寸及目标尺寸，确定总形变量；

S30，确定矫形热处理次数，矫形热处理次数至少2次；

S40，根据总形变量及矫形热处理次数，确定锆方管10每次矫形热处理的单次形变量；

S50，根据初始尺寸及单次形变量，为每次矫形热处理提供一种尺寸的模具，模具材料的热膨胀系数大于相同条件下锆方管10材料的热膨胀系数；以及

S60，按照模具的尺寸由小到大的顺序，在每次矫形热处理时使用对应尺寸的模具，将模具装入锆方管10内部，进行至少2次矫形热处理。

通过使用至少两个模具进行至少两次的矫形热处理，对锆方管10进行少量多次的矫形热处理，将一个比较大的总形变量拆分成相对较小的多个单次形变量的总和。矫形热处理时，形变过程变得相对缓慢，受力更均匀稳定，使成品的锆盒40的尺寸公差和形位公差具有更高精度，制造出来的锆盒40尺寸稳定性好，能够更好的满足设计要求，确保核工业生产的安全性。

在所述步骤S10中，提供的锆方管10可以是根据实际需要直接购买已有的锆方管10，也可以是通过一制备方法制备得到。

在其中一个实施例中，步骤S10包括：

S11，锆板下料，锆板具有预定的厚度、粗糙度及机械性能；

S12，将锆板卷焊成圆管；

S13，对卷焊的焊缝进行平滑处理；

S14，对圆管进行涂层和润滑；

S15，将圆管预压成方形管；

S16，将方形管进行拉伸，得到锆方管10。

在其中一个实施例中，步骤S10包括：

S11，锆板下料，锆板具有预定的厚度、粗糙度及机械性能；

S12，将锆板卷焊成锆圆管；

S13，将锆圆管直接轧制成方行管，得到锆方管10。

在其中一个实施例中，步骤S10包括：

S11，锆板下料，锆板具有预定的厚度、粗糙度及机械性能；

S12，取两张锆板分别折弯成方槽；

S13，将两个方槽对接，焊接接缝，得到锆方管10。

在步骤S10中，待矫形位置可以包括锆方管10中4个圆角中的一个或多个，也可以包括锆方管10的侧壁。初始尺寸，包括锆方管10中圆角的半径以及锆方管10的截方尺寸中的一个或多个。目标尺寸，等于成品锆盒40的尺寸，包括锆盒40中圆角的半径及锆盒40的截方尺寸中的一个或多个。

在步骤S20中，总形变量是目标尺寸与初始尺寸之间的差值。

在步骤S30中，矫形热处理次数优选为2次至5次，更优选为2次至3次。

在步骤S40中，每次矫形热处理的单次形变量可以相同也可以不同，可以是逐渐增大，逐渐减小，维持不变，或者先增大后减小，或者先减小后增大，又或者增大、减小及维持不变交替进行。各个单次形变量相加的总和等于总形变量。优选的，矫形热处理的温度依次降低，对应的单次形变量维持不变或者依次降低。更优选的，随矫形热处理的温度依次降低，单次形变量依次减小。在少量多次矫形热处理的基础上，先通过较大的单次形变量使锆方管10待矫形位置以较快的速度接近目标尺寸，然后到达目标尺寸附近时，将单次形变量减小，以更精确的尺寸使锆方管10待矫形位置的尺寸逐渐向目标尺寸靠近。当前期采用较大的单次形变量时可以适当减少矫形热处理的次数，节省时间，节约生产成本，同时后期较小的单次形变量，可以更加精确的控制锆方管10的形变，最终使所生产出来的成品锆盒40的精度更高，满足生产需求。

模具材料的热膨胀系数大于相同条件下锆方管10材料的热膨胀系数。热膨胀量等于热处理温度、该热处理温度下材料的热膨胀系数及本次热处理前热处理对象的尺寸三者之间的乘积。矫形热处理过程中模具位于锆方管10内部，所以锆方管10会受到模具的膨胀作用力造成不可逆形变，热处理结束冷却之后，模具可以恢复到初始尺寸，而锆方管10相对于热处理前尺寸则有所增大，从而得到一单次形变量，该单次形变量等于热处理温度、该热处理温度下模具材料与锆方管10材料的热膨胀系数之差及本次热处理前锆方管10的尺寸三者之间的乘积。

在步骤S50中，在每次矫形热处理时使用的模具的尺寸约等于锆方管10内表面在本次矫形热处理之前的尺寸，模具与锆方管10等长。第一次矫形热处理时提供的模具1的尺寸约等于提供的锆方管10的内表面的初始尺寸。第二次矫形热处理时使用的模具2的尺寸约等于模具1的尺寸与第一次矫形热处理时锆方管10的单次形变量之和。之后所使用的模具的尺寸计算方法以此类推。精确计算模具的尺寸及精度要求，加工矫形模具。模具的尺寸精度和表面光洁度不低于成品锆盒40。每次矫形热处理后，将本次使用的模具从锆方管10内取出，取出的模具在下次生产中可以重复使用。

请参阅图3，在步骤S50中，每次矫形热处理提供的模具为缺角的四方芯棒22及与缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四个圆柱24。模具材料为相同条件下热膨胀系数大于锆方管10材料的非核禁用材料，优选为奥氏体不锈钢。缺角的四方芯棒22及与缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四个圆柱24的材料相同。

请参阅图4，在步骤S50中，每次矫形热处理提供的模具为圆角中空四方管30。模具材料为相同条件下热膨胀系数大于锆方管10材料的非核禁用材料，优选为奥氏体不锈钢。与实心模具相比，矫形热处理的过程中，中空四方管30因为内部的中空结构，整个模具升温速度更快，受热更均匀，形变过程更缓和，容易控制，有利于成品锆盒40的尺寸公差和形位公差精度的提高。

在步骤S60中，矫形热处理涉及不同类型的工艺参数，包括热处理温度，保温时间，升温及降温制度等。每次的矫形热处理是相互独立的，工艺可以相同也可以不同，可根据本次矫形热处理的单次形变量、模具材料与锆方管10材料的热膨胀系数之差及本次热处理前锆方管10的尺寸加以确定。矫形热处理的温度相同或依次降低，优选为为400℃至600℃；保温时间优选为1h至5h；温度上升速度优选为匀速上升，每分钟上升约10℃至20℃；降温制度优选为自然冷却，经过至少两次矫形热处理，得到高精度的锆方管10。由小到大相邻两个模具的尺寸差值等于单次形变量。

进一步包括后续处理步骤S70：

S71，按照要生产的成品锆盒40的要求截取一定长度的锆方管10；

S72，对锆方管10进行表面处理和酸洗；

S73，去离子水冲洗；

S74，用无油干燥压缩空气吹干，得到本发明的高精度锆盒40。

实施例1

制备长度为1600mm，截方尺寸为100×100mm，壁厚2mm，圆角半径r为6mm的高精度锆盒40。具体包括以下步骤：

S10，提供锆方管10，包括：

S11，选取厚度δ为2.2～2.3mm，粗糙度Ra≤3.2μm的锆板，锆板的机械性能满足表1的技术要求，精确裁切为长1800mm，宽400.5±0.05mm的锆板，要求锆板的四边平整，相邻边的垂直度偏差＜0.3mm，相对边的平行度＜0.3mm；

S12，锆板卷焊成圆管，要求控制焊缝的气孔、夹杂，不允许存在不熔合区，表面不能氧化，焊缝要平整；

S13，对焊缝进行处理，打磨高出的焊瘤并清洗；

S14，对干燥后的锆圆管内外表面进行涂层和润滑；

S15，将锆圆管进行两个方向的预压，形成方形轮廓，使焊缝处于某一面的中部；

S16，过渡拉伸及成品管拉伸，采用不同的长短芯头，分道次将具有方形轮廓的锆管拉伸成方管，得到锆方管10。

S20，总形变量为需要制备的锆盒40的尺寸与步骤S100提供的锆方管10的待矫形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用2次矫形热处理。

S40，根据总形变量及矫形热处理的次数，分别确定两次矫形热处理的单次形变量，2个单次形变量之和等于本次矫形热处理的总形变量。

S50，提供2套模具，模具的类型为缺角的四方芯棒22及与缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四个圆柱24，材料为1Cr18Ni9Ti。分别计算出两套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的顺序，编号为模具1和模具2。

S60，对锆方管10进行矫形热处理，包括：

S61，在锆方管10内塞入模具1，600℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温2.5h。自然冷却后将缺角的四方芯棒22及与缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四个圆柱24和锆方管10取出；

S62，在经过1次矫形热处理的锆方管10内塞入模具2，600℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温2.5h。自然冷却后将缺角的四方芯棒22及与缺角的四方芯棒22配套的位于缺角的四个圆柱24和锆方管10取出。

S70，后续处理包括：

S71，按照要生产的成品锆盒40的要求截取一定长度的锆方管10；

S72，对锆方管10进行表面处理和酸洗；

S73，去离子水冲洗；

S74，用无油干燥压缩空气吹干，得到本发明的高精度方形锆盒40。

实施例2

制备长度为2100mm，截方尺寸为150×150mm，壁厚1.5mm，圆角半径r为6.5mm的高精度方形锆盒40。具体包括以下步骤：

S10，提供锆方管10，包括：

S11，选取厚度δ为1.7～1.8mm，粗糙度Ra≤3.2μm的锆板，锆板的机械性能满足表1的技术要求，精确裁切长2300mm，宽600.5±0.05mm的锆板，要求锆板的四边平整，相邻边的垂直度偏差＜0.3mm，相对边的平行度＜0.3mm；

S12，锆板卷焊成圆管，要求控制焊缝的气孔、夹杂，不允许存在不熔合区，表面不能氧化，焊缝要平整；

S13，对焊缝进行处理，打磨高出的焊瘤并清洗；

S14，将干燥后的锆圆管使用专用轧机直接轧制成方管。

S20，总形变量为需要制备的锆盒40的尺寸与步骤S100提供的锆方管10的待矫形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用3次矫形热处理。

S40，根据总形变量及矫形热处理的次数，分别确定3次矫形热处理的单次形变量，3个单次形变量之和等于本次矫形热处理的总形变量。

S50，提供3套模具，模具的类型为圆角中空四方管30，材料为0Cr18Ni10Ti。分别计算出3套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的顺序，编号为模具1、模具2及模具3。

S60，对锆方管10进行矫形热处理，包括：

S61，在锆方管10内塞入模具1，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温时间3h。自然冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出；

S62，在经过1次矫形热处理的锆方管10内塞入模具2，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温3h。自然冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出；

S63，在经过2次矫形热处理的锆方管10内塞入模具3，500℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温3h。自然冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出。

之后的操作同实施例1。

实施例3

制备长度为2600mm，截方尺寸为180×180mm，壁厚2.0+0.10mm，圆角半径r为6.5mm的高精度方形锆盒40。具体包括以下步骤：

S10，提供锆方管10，包括：

S11，选取厚度δ为2.2～2.3mm，粗糙度Ra≤3.2μm的锆板，锆板的机械性能满足表1的技术要求，精确裁切长3000mm，宽为361.5±0.05mm的两块锆板，要求锆板的四边平整，相邻边的垂直度偏差＜0.3mm，相对边的平行度＜0.3mm；

S12，取步骤S101精铣后的两张锆板，采用数控折弯机，将两张锆板分别折弯成π型方锆槽状，其中定位模具下模的精度为±0.01mm，折弯冲头上模的圆角半径为6.5mm，与成品锆盒40的内圆角半径相等，上下模间的间隙控制在2.0～3.0mm之间；

S13，将S102制得的两个π字锆方槽用焊接模具对接，采用真空电子束或其它焊接方式进行焊接；

S14，对焊缝进行处理，打磨高出的焊瘤并清洗。

S20，总形变量为需要制备的锆盒40的尺寸与S100提供的锆方管10的待矫形位置的初始尺寸的差值。

S30，采用3次矫形热处理。

S40，根据总形变量及矫形热处理的次数，分别确定3次矫形热处理的单次形变量，3个单次形变量之和等于本次矫形热处理的总形变量。

S50，提供3套模具，模具的类型为圆角中空四方管30，材料为0Cr18Ni10Ti。分别计算出3套模具的尺寸及精度要求，加工模具，并按照模具尺寸由小到大的顺序，编号为模具1、模具2及模具3。

S60，对锆方管10进行矫形热处理，包括：

S61，在锆方管10内塞入模具1，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温3h。空气中冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出；

S62，在经过1次矫形热处理的锆方管10内塞入模具2，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温3h。自然冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出；

S63，在经过2次矫形热处理的锆方管10内塞入模具3，550℃，真空度1.3×10^-3Pa，保温3h。自然冷却后将圆角中空四方管30和锆方管10取出。

之后的操作同实施例1。

表1锆合金板机械性能

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。